Cómo exprimir los transductores acústicos piezoeléctricos en los dispositivos cada vez más pequeños
Cómo introducir los transductores piezoacústicos en los dispositivos de encogimiento
El software de simulación multifísica puede ayudar a los ingenieros en el diseño de transductores acústicos piezoeléctricos para satisfacer las demandas de miniaturización de dispositivos.
Lo que aprenderá:
La amplia aplicación de la tecnología piezoeléctrica.
¿Por qué la tendencia a miniaturizar dispositivos sin perder la precisión plantea desafíos a los ingenieros de diseño?
Cómo las herramientas de software de multifísica pueden abordar los desafíos inherentes a la multifísica del diseño de transductores acústicos piezoeléctricos.
La creciente miniaturización y sofisticación de los productos electrónicos, que van desde los dispositivos de medios de consumo hasta las herramientas de diagnóstico médico y las aplicaciones de sonar relacionadas con la defensa,El proyecto presenta una gran utilidad y facilidad para los consumidores y un desafío continuo para los ingenieros de diseño.Estos productos aparentemente dispares (altoparlantes de dispositivos de audio/móviles, ciertos dispositivos médicos no invasivos,y las matrices de sonar) comparten en común una dependencia de los transductores piezoeléctricos para generar y recibir señales acústicas.
Los materiales piezoeléctricos han sido valorados desde la primera mitad del siglo XX por su capacidad para convertir la energía mecánica en energía eléctrica y viceversa.La tecnología del siglo XXI exige que estos mismos materiales produzcan más sonido o frecuencias más precisas en paquetes cada vez más pequeños., todo ello utilizando la menor cantidad de energía posible.
El desafío de diseñar dispositivos piezoeléctricos es inherentemente multifísica en la naturaleza debido a la confluencia de electricidad, vibración y acústica.Los diseñadores deben tener herramientas que puedan calcular la física múltiple dentro de sus productos.
Resumen del material piezoeléctrico
Los materiales piezoeléctricos son materiales que pueden producir electricidad debido a la tensión mecánica, como la compresión.Materiales piezocerámicos típicos, ya sean de cerámica o cristal no conductores, se colocan entre dos placas metálicas.
Para generar piezoelectricidad, el material debe ser comprimido o comprimido. La tensión mecánica aplicada al material cerámico piezoeléctrico genera electricidad.que se conoce como el efecto piezoeléctrico inversoEl efecto piezoeléctrico inverso convierte la energía eléctrica en energía mecánica.
Los materiales piezoeléctricos se encuentran en una sorprendente variedad de productos cotidianos.La llama que cobra vida cuando se presiona el botón de un encendedor fue ayudada a existir por la compresión de material piezoeléctrico, que produce una chispa.
Ahora, veamos algunos otros productos que presentan un mayor desafío para los ingenieros de diseño debido a la necesidad de un mayor rendimiento dentro de dispositivos más pequeños.
Micros y altavoces
Los materiales piezoeléctricos se utilizan ampliamente en acústica.Los micrófonos contienen cristales piezoeléctricos que convierten las ondas sonoras entrantes en señales que luego se procesan para crear sonido amplificado salienteLos pequeños altavoces, como los de los teléfonos celulares y otros dispositivos móviles, también son accionados por cristales piezoeléctricos.
El desafío aquí es diseñar transductores piezoeléctricos que puedan producir sonido de muy alta calidad dentro de un paquete pequeño, y sin drenar demasiado de la batería del dispositivo.
Dispositivos médicos
Los dispositivos médicos no invasivos, como los audífonos, también dependen de piezoeléctricos para una parte de su funcionamiento.que es una aplicación importante de los materiales piezoeléctricos.
En ultrasonido, los materiales piezoeléctricos se electrifican para crear ondas de sonido de alta frecuencia (entre 1,5 y 8 MHz) que son capaces de penetrar los tejidos corporales.los cristales piezoeléctricos convierten la energía mecánica recibida en energía eléctrica, enviándolo de nuevo a la máquina de ultrasonido para su conversión en una imagen.
Otros dispositivos médicos, como los bisturí armónicos, utilizan materiales piezoeléctricos con propiedades vibratorias para cortar y cauterizar el tejido durante la cirugía.Los cristales piezoeléctricos dentro del dispositivo generan tanto la energía cinética como la energía térmica necesaria para cortar y cauterizar simultáneamente.
Los desafíos de diseño ultrasónico se centran en la necesidad de determinar la forma correcta y la composición del material de los componentes piezoeléctricos para crear las frecuencias muy precisas utilizadas en ultrasonido.en el ejemplo de bisturí armónico, el diseño debe tener en cuenta los efectos del calentamiento en la respuesta vibratoria del dispositivo.
El sonar
Tal vez el uso más amplio y de larga data de la tecnología piezoeléctrica se puede encontrar dentro de las aplicaciones de sonar.y su uso se disparó en el período entre las dos guerras mundiales.
Hoy en día, todos los sistemas basados en sonar, incluyendo los utilizados por los militares, pescadores comerciales, y en numerosas otras aplicaciones marinas,Utiliza un transductor que contiene piezo para generar y recibir ondas sonoras.
Durante más de 100 años, los transductores piezoeléctricos se han utilizado para localizar objetos sumergidos.
Parece simple, pero diseñar transductores para la propagación del sonido a través del agua en lugar del aire puede presentar su propio conjunto de complejos desafíos de ingeniería.Estas aplicaciones a menudo requieren que el dispositivo piezoeléctrico genere señales de alta potencia para propagarse a largas distancias sin atenuarse por debajo de los niveles detectables.
Nuevos usos
Una aplicación emergente de los materiales piezoeléctricos está dentro de la tecnología de recolección de energía.pueden utilizarse con éxito en cualquier aplicación que requiera o produzca vibraciones.
En la recolección de energía, la vibración exógena produce una tensión mecánica en el material piezoeléctrico que se convierte en energía eléctrica.Esa energía piezo-creada se puede utilizar para alimentar a otros componentes del dispositivo o sistema.
Los sistemas de monitorización de la presión de los neumáticos independientes de la batería (TPMS) representan uno de esos ejemplos.lo almacena, y envía una señal al panel de visualización del conductor.Pero el creciente interés en alternativas de baterías ecológicas ha llevado a un nuevo enfoque en el potencial de recolección de energía de los materiales piezoeléctricos.
Descubrimientos antiguos, desafíos modernos
Aunque los materiales piezoeléctricos se han utilizado durante más de un siglo, la necesidad actual de su aplicación en productos más pequeños y complejos presenta un desafío para los ingenieros de diseño.La elección de los materiales correctos y el diseño de la forma correcta del cristal son de importancia crítica para la funcionalidad de un prototipo.
Los piezos tienen propiedades materiales muy complejas que están muy entrelazadas, y la composición del material importa.si la forma de un cristal piezoeléctrico no produce la frecuencia de resonancia correctaY, al igual que el efecto observador, la electrificación misma de un cristal piezoeléctrico deforma su forma y produce más electricidad.
Es un circuito de retroalimentación increíblemente complicado que pide una solución de diseño que elimine las conjeturas involucradas en los largos procesos de construcción y prueba de prototipos.
Por qué es importante la simulación
La simulación siempre es útil cuando se trata de no linealidades. Impide que los diseñadores de la ingrata (y a menudo presupuestariamente inviable) tarea de construir y probar en medio de demasiadas incógnitas.Cuando se consideren los transductores electroacústicos, la combinación única de energía eléctrica, energía mecánica y acústica es decididamente no lineal, y inherentemente multifísica en la naturaleza.
La simulación multifísica puede proporcionar a los ingenieros de diseño las herramientas para desarrollar productos de manera más efectiva al permitirles simular sus diseños de dispositivos en condiciones operativas.Estas simulaciones pueden incluir todo el ecosistema, desde el circuito de control hasta el transductor piezoeléctrico y el entorno acústico circundante.Las simulaciones de multifísica tendrán en cuenta factores tales como:
Las ecuaciones constitutivas de la respuesta mecánica y eléctrica
Dirección de pulido de las propiedades piezoeléctricas del material
Condiciones límite
Mecánica estructural/calentamiento por vibración
A medida que los dispositivos piezoeléctricos se vuelven más pequeños y complejos para satisfacer las demandas de los consumidores sofisticados (ya sean individuos o industrias),Los ingenieros de diseño deben tener herramientas que calculan la física múltiple dentro de sus productosLas herramientas de simulación de multifísica pueden proporcionar claridad y dirección a desafíos de diseño complicados.